Das Spritzgießen von Kleinserien ist eine Art des Spritzgießens, die in erster Linie für Kleinserien von Produkten verwendet wird. Sie unterscheidet sich vom typischen Spritzgießen, das auf die Massenproduktion zu höheren Kosten ausgerichtet ist. Hersteller verwenden das Spritzgießen von Kleinserien häufig für Produktionen bis 100.000 Produkte. Auch wenn dies eine hohe Zahl zu sein scheint, so ist sie doch gering im Vergleich zu den Millionen von Produkten, die ein Hersteller für großvolumige Teile produzieren kann.
Schritt-für-Schritt-Arbeitsablauf für den Spritzguss von Kleinserien
Der Hauptunterschied zwischen dem Spritzgießen von Kleinserien und dem traditionellen Spritzgießen liegt in den schnellen Werkzeugbauverfahren, die für die Kleinserienfertigung eingesetzt werden. Hier sind die drei wichtigsten Schritte des Verfahrens.
Schritt Nr. 1 – Formenbau
Der Hersteller verwendet computergestützte Konstruktionssoftware (CAD), um den Entwurf für die Gussform zu erstellen. Die spezifischen Konstruktionsmethoden unterscheiden sich je nach dem für das Teil benötigten Werkzeug. Zum Beispiel erfordern Gussformen, die für den 3D-Druck bestimmt sind, andere Entwurfstechniken als Aluminiumformen.
Schritt Nr. 2 - Auswahl eine schnelle Werkzeugmethode
Nachdem der Entwurf steht, wählt der Hersteller eine Methode für die schnelle Werkzeugherstellung. Es stehen mehrere zur Verfügung, die jeweils Vor- und Nachteile haben.
3D-gedruckte Gussformen
Der 3D-Druck wird für Kleinserien immer beliebter, da er die kostengünstigste Alternative zu Aluminiumformen darstellt. Die gedruckten Teile sind sowohl fest als auch isotrop, so dass die Hersteller die Konsistenz während der Produktionsläufe beibehalten können. Der größte Nachteil des 3D-Drucks ist, dass die Formen nur eine kurze Lebensdauer haben. Bestimmte Techniken, wie zum Beispiel das Einspritzen von Polymilchsäure in die Gussform, können dazu beitragen, die Lebensdauer und Qualität einer 3D-gedruckten Gussform zu verbessern.
3D-gedruckte und lösliche Einsätze
Einsätze verbessern die Struktur und Festigkeit von Gussformen, die aus thermoplastischen Kunststoffen hergestellt werden, z. B. aus dem 3D-Druck. Ein Hersteller kann zum Beispiel einen hitzebeständigen Einsatz verwenden, um das Material, das zur Herstellung der Gussform verwendet wird, während des Einbaus zu erweichen. Nach dem Einbau entfernt der Hersteller die Wärmequelle, was dazu führt, dass sich der Thermoplast um den Stützeinsatz verfestigt.
Aluminiumgussformen
Obwohl Aluminium wegen seiner vermeintlich mangelnden Festigkeit von den Herstellern oft für das Spritzgießen von Großserien bevorzugt wird, hat das Material mehrere Eigenschaften, die es für das Spritzgießen von Kleinserien geeignet machen.
Das Material kann in der Regel bis zu 100.000 Replikate herstellen und eignet sich daher für die Herstellung von Prototypen und die Produktion mittlerer Stückzahlen. Da Aluminium biegsamer ist, können die Hersteller auch leichte Anpassungen an ihren Formen vornehmen, wenn sie während des Produktionsprozesses Fehler entdecken.
Mikrospritzguss
Das Mikrospritzgießen wird dann relevant, wenn ein Hersteller Teile herstellen muss, die nur den Bruchteil eines Gramms wiegen. Solche Präzisionsteile werden häufig in der Medizin- und Dentalindustrie verwendet, aber auch andere Branchen können vom Mikrospritzguss profitieren. Die für das Mikrogießen verwendeten Werkzeuge sind unvergleichlich einfacher und damit billiger als das traditionelle Spritzgießen, ebenso wie die für das Spritzgießen verwendeten Maschinen. All dies senkt die Kosten für NRE-Werkzeuge und ermöglicht eine schnelle Werkzeugherstellung. Allerdings ist dies mit der Einschränkung verbunden, dass nur kleine Teile hergestellt werden können, die nicht mehr als 20 Gramm wiegen.
Spritzguss für Kleinserien im Vergleich zu traditionellem Spritzguss
Spritzguss-Kleinserien unterscheiden sich in vielerlei Hinsicht von traditionellen Spritzgussverfahren.
Kostengünstig
Im Vergleich zur Herstellung einer Gussform aus CNC-bearbeitetem Metall ist der Spritzguss von Kleinserien kostengünstig. Hersteller können zwischen 10.000 und 100.000 Dollar für eine CNC-gefräste Form aus Stahl ausgeben, wobei der Preis von der Größe der Gussform abhängt. Obwohl diese teureren Gussformen viel länger halten, sind sie aufgrund ihrer Kosten für kleine Produktionsserien unerschwinglich. Im Gegensatz dazu kann eine 3D-gedruckte Form weniger als 500 $ kosten, aber sie hält wahrscheinlich weniger als 100 Produkte, bevor sie kaputt geht. Die goldene Mitte scheint hier eine Aluminium-Mikroform zu sein, deren Herstellung durchschnittlich 2 500 € kostet und die je nach Komplexität des Teils bis zu 200 000 Zyklen aushält.
In der Kleinserienfertigung können auch einfachere und damit billigere Gussformen (ohne automatische Schieber oder hydraulische Antriebe) verwendet werden, wenn Hinterschneidungen vorhanden sind. Durch manuelle Arbeit können die Einsätze, die Hinterschneidungen formen, ein- und ausgefahren werden. Dies verlängert zwar die Zykluszeit, kann sich aber bei geringen Stückzahlen erheblich auf die Gesamtkosten des Projekts auswirken.
Schnellere Produktionszeiten für Gussformen
Die Herstellung einer CNC-gefertigten Stahlform kann je nach Material zwischen vier und acht Wochen dauern. Dies ist in zeitkritischen Situationen nicht ideal. Mit 3D-Druckverfahren hergestellte Gussformen bieten eine viel kürzere Vorlaufzeit von ein bis drei Tagen. Aluminiumformen bieten ebenfalls kürzere Vorlaufzeiten als Stahlformen, die zwischen zwei und drei Wochen liegen.
Die Grenzen des Kleinserien-Spritzgießens
Die niedrigeren Kosten und Vorlaufzeiten für die meisten Spritzguss-Kleinserienverfahren führen zu Gussformen, die nicht so haltbar sind wie ihre CNC-gefertigten Pendants aus traditionellem Stahl. Für große Produktionsserien müssen die Hersteller traditionellere Verfahren zur Herstellung von Gussformen in Betracht ziehen.
Einige neue Techniken könnten jedoch die Haltbarkeit von Kleinserienformen in Zukunft verbessern. Das Freiform-Spritzgießen kombiniert die kurzen Vorlaufzeiten von Kleinserienwerkzeugen mit der größeren Skalierbarkeit des Spritzgießens, ist jedoch zeitaufwändiger und hat Kompatibilitätsprobleme mit einigen Polymeren. Additive Fertigungsverfahren (AM) können ebenfalls zur Herstellung von stabilen Gussformen führen. Leider sind die AM-Verfahren mit Problemen bei der Oberflächenbeschaffenheit und höheren Herstellungskosten verbunden.
Der AM-Ansatz hat auch Nachteile. Die Anwendung der additiven Fertigung für den Gussformenbau, wo die subtraktive Fertigung sinnvoller ist, ist nicht immer der effizienteste Weg. Das enorme Potenzial der Herstellung komplizierter Formen durch AM kann nicht voll ausgeschöpft werden, da Hinterschneidungen in der Formgebungstechnologie unvermeidbar sind.
Spritzguss für Kleinserien: Der richtige Werkzeugbau zählt!
Warum sollte ein Hersteller das Spritzgießen für Kleinserien verwenden?
Einfaches Prototyping
Die Herstellung einer Stahlform ist mit hohen Kosten verbunden und daher für die Entwicklung von Prototypen nicht geeignet. Ein Start-up-Unternehmen kann mit Hilfe von Spritzguss-Kleinserien einen funktionierenden Prototyp seines Produkts zu geringen Kosten entwickeln.
Kostengünstig
Die Kosten für Kleinserien-Spritzgießen sind geringer als beim herkömmlichen Spritzgießen. Die Kostenvorteile nehmen ab, wenn der Hersteller mehr Teile desselben Typs herstellt.
Material- und Formvielfalt
Die verschiedenen Verfahren des schnellen Werkzeugbaus, die bei der Herstellung von Kleinserienformen eingesetzt werden, ermöglichen eine große Vielfalt an Materialien und Formen. So ist es beispielsweise möglich, mit dieser Technologie Elastomerteile herzustellen.
Die mechanische Festigkeit des Formteils
Die Verwendung einer Kleinserienform ist dem einfachen 3D-Druck des gewünschten Teils vorzuziehen. Das mit der Gussform hergestellte Teil hat nicht die schichtweise gedruckte Oberfläche eines 3D-gedruckten Teils, auch wenn die Gussform selbst diese Oberfläche hat. Dadurch wird das Formteil homogen und durchgängig und weist eine höhere mechanische Stabilität und ein besseres Erscheinungsbild auf.
Anwendungen für den Spritzguss von Kleinserien
Spritzguss-Kleinserien sind besonders wichtig, wenn Hersteller kurze Zeitzyklen für die Produktion von Kleinserien überwinden wollen. Beispiele hierfür sind die Herstellung von Prototypen und die Erfüllung von Anforderungen an das Spritzgießen auf Abruf. Viele kleine Hersteller nutzen dieses Verfahren jedoch auch, um die Produktion von Kleinserienprodukten zu beschleunigen.
Der Hauptvorteil des Spritzgießens von Kleinserien liegt in seinem kürzeren Produktionszyklus. Der Produktlebenszyklus von Mikrowerkzeugen veranschaulicht dies in der Praxis. Mit dem schnellen Werkzeugbau Verfahren kann ein Hersteller ein Produkt in acht Wochen oder weniger von der Analyse bis zur Fertigung bringen. Beim traditionellen Spritzguss kann die Herstellung einer Gussform bis zu acht Wochen dauern, wobei die Zeit, die für den Entwurf der Gussform oder die Herstellung der Produkte damit verbracht wird, noch nicht berücksichtigt ist.
Kleinserien für kleine Stückzahlen
Spritzguss-Kleinserien eignen sich nicht für große Produktionsserien. Die hergestellten Gussformen sind nicht für hohe Stückzahlen (Millionen von Zyklen) geeignet. Das Verfahren hat jedoch viele Anwendungsmöglichkeiten, darunter die Herstellung von Prototypen und Kleinserien. Darüber hinaus könnten die in der Entwicklung befindlichen Technologien die Festigkeit von Kleinserienformen in Zukunft verbessern, auch wenn viele dieser Technologien Nachteile haben, die zunächst überwunden werden müssen.
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